高速鐵路高墩大跨連續剛構橋設計

李俊龍

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

高速鐵路高墩大跨連續剛構橋設計

李俊龍

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

文章針對滬昆高鐵(長沙-昆明段)岔河大橋主橋(88+168+88)m預應力混凝土連續剛構，介紹了高速鐵路連續剛構橋的結構設計，對高墩大跨連續剛構橋的靜動力特性及車橋耦合動力響應進行了研究。研究表明對于百米以上高墩，矩形空心墩較雙薄壁墩有更好的縱向剛度，同時設置墩身二次放坡，具有更好的橫向剛度和行車動力性能。文章介紹了高速鐵路高墩大跨預應力混凝土連續剛構橋設計的關鍵技術。

高速鐵路； 高墩大跨； 預應力混凝土； 連續剛構； 結構設計

1 工程概況

新建高速鐵路滬昆客運專線(長沙至昆明段)岔河大橋位于貴州省晴隆縣與普安縣之間，跨越岔河，橋高約170m，橋梁全長484.05m。橋址兩岸岸坡地勢陡峻，河谷深切，為V型河谷地貌，自然坡度為30°～65°，基巖多裸露，植被不發育。橋區內地震動峰值加速度為0.10g。橋址處地質較差，主要有巖溶、斷層破碎帶、巖堆及順層。主橋為(88+168+88) m預應力混凝土連續剛構，采用對稱懸臂灌注法施工，主墩墩高分別為76 m、103 m，為目前已建成的350 km/h時速高速鐵路世界最大跨度的預應力混凝土連續剛構高墩鐵路橋。主橋總體布置見圖1[1]。

圖1 主橋總體布置

主要技術標準如下：

(1)線路等級：客運專線。

(2)設計行車速度：350 km/h。

(3)正線數目：雙線；線間距：5 m。

(4)設計活載：ZK活載。

(5)軌道結構類型：CRTS-I型雙塊式無砟軌道，跨區間無縫線路。

(6)設計洪水頻率：100年一遇。

(7)使用年限：正常條件下設計壽命為100 a。

2 結構構造

2.1 上部結構構造

梁體為單箱單室直腹板變高度變截面箱梁，計算跨度為(88+168+88) m，剛構梁體全長345.8 m。防護墻內側凈寬8.8 m，橋面寬12 m。邊支座中心線至梁端距離0.9 m，橫橋向支座中心距為7 m。中跨跨中18 m梁段和邊跨端部13.9 m梁段為等高梁段，梁高為6 m。中支點處梁高為12 m，除0號段外其余梁段梁底下緣按二次拋物線變化。箱梁頂板寬12 m，底板寬8 m。頂板厚62 cm，邊跨端塊處頂板厚由62 cm漸變至100 cm。底板厚52～110 cm，腹板厚50～110 cm。梁體在邊跨支座處和主墩處設橫隔板，全聯共設6道橫隔板，橫隔板中部設有孔洞，以便人員通過。梁體標準截面見圖2[1]。

圖2 梁體構造(單位：cm)

2.2 梁體預應力體系

梁體采用C55混凝土，按全預應力結構設計，縱向、橫向、豎向均設預應力。縱向預應力采用19-15.2高強度低松弛鋼絞線(fpk=1860 MPa)，金屬波紋管成孔，15-19錨具錨固。橫向預應力采用4-15.2高強度低松弛鋼絞線(fpk=1860 MPa)，金屬波紋管成孔，配套扁錨錨固。豎向預應力采用φ32 PSB830螺紋粗鋼筋，金屬波紋管成孔，對應錨具錨固，張拉時采用單端張拉的方式，張拉端設在梁頂。

2.3 下部結構構造

主墩采用鋼筋混凝土矩形空心墩，墩頂處橫橋向寬9 m，壁厚為1.1 m；縱橋向寬10 m，壁厚為1.3 m。主墩縱橋向內外均不放坡，在墩頂和墩底分別設置1.2 m、6 m高的實體段。1#主墩高76 m，橫橋向外坡為15∶1，橫橋向內坡為35∶1。為了將墩身質量合理地集中在結構下部，使其重心下移，有效增加其橫向剛度，同時得到較好的外觀效果，故2#主墩橫橋向采用直線二次放坡。2#主墩高103 m，墩頂以下75 m范圍橫橋向外坡為15∶1，下接直線二次放坡，橫橋向外坡變為10∶1，橫橋向內坡為35∶1。2#主墩構造見圖3[1]。主墩基礎均采用鉆孔群樁基礎，1#主墩樁徑2.5 m，共6+5+6=17根樁成梅花形布置，樁長為51 m；2#主墩樁徑2.8 m，共3×6=18根樁成行列式布置，樁長為30～34 m[1-2]。

圖3 2#主墩構造(單位：cm)

3 結構分析和研究

3.1 靜力計算

采用有限元橋梁專用軟件對連續剛構橋進行整體計算研究，得到各施工階段和運營階段的內力、應力及截面強度等分析結果。施工階段中，最大壓應力14.8 MPa，最大拉應力-1.0 MPa；在最不利荷載組合下，運營階段截面均不出現拉應力，頂、底板壓應力均滿足規范要求。考慮豎向預應力鋼筋作用時，最大主壓應力、主拉應力均滿足規范要求。靜活載作用下中跨跨中最大撓度值為41.6 mm(L/4038)，邊跨跨中最大撓度值9.4 mm[3-4]。

3.2 高墩設計研究

連續剛構橋的墩梁剛性連接，墩與梁的彎矩分配決定于兩者的相對剛度，且梁體的收縮、徐變及溫度應力也與剛構墩柱的抗推剛度直接相關，既要滿足全橋的縱向剛度要求，又要盡可能地優化梁體內力分布，因此結構剛度是高墩大跨預應力混凝土鐵路橋設計的重要控制因素，選擇合適的墩柱縱向剛度是其中的重要內容。由于本橋橋墩較高(超過100 m)，采用雙薄壁墩的話，其縱向剛度相對于矩形空心墩較小，在縱向水平力作用下，縱向位移將增大，同時墩身截面需保持足夠的整體抗彎剛度來保持全橋的整體穩定，勢必設計會加大墩柱尺寸，這樣將使圬工增大，且百米高的雙薄壁墩施工的線形控制也較難。故經上述雙薄壁墩、矩形空心墩綜合對比，剛構主墩采用矩形空心墩較好[5]。

矩形空心高墩墩頂處橫橋向寬9 m，縱橋向寬10 m，縱橋向不放坡，在1/4墩高即墩頂以下75 m處橫橋向進行直線二次放坡。本橋比選如下3種方案，其橫橋向放坡區別如表1所示。

表1 主墩橫向放坡方案

經有限元計算分析，主墩各方案的自振頻率如表2所示。

表2 主墩自振頻率

綜上可知：剛構主墩橫向尺寸是全橋整體橫向剛度最重要的控制因素，可通過墩身構造及尺寸的改變來提高結構剛度，故選擇在1/4墩高處橫橋向直線二次放坡。此方案將墩身質量合理地集中在結構下部，使其重心下移，有效增加其橫向剛度，改善了行車性能，同時整體外觀效果較好。

3.3 車橋耦合動力分析

本橋主跨168 m，主墩103 m，為目前已建成的350 km/h時速高速鐵路同類橋梁中的世界最大跨度，橋上鋪設無縫線路，對結構的動力性能要求大大提高，設計合理的豎向和橫向剛度對保證高速列車通過時的行車安全、橋梁安全和旅客、司機的乘坐舒適性至關重要[6-7]。

對上述三個主墩方案進行車橋空間耦合動力分析，軌道不平順采用德國低干擾軌道譜，列車類型采用德國ICE3動力分散式車組和國產300 km/h動力分散式車組；列車編組為：2*(動+拖+動+動+動+動+拖+動)，共16節；速度等級取250、275、300、325、350、375、400、420 km/h。

車橋耦合動力分析評價結果見表3～表5。

表3 車橋耦合動力分析評價(方案一)

表4 車橋耦合動力分析評價(方案二)

表5 車橋耦合動力分析評價(方案三)

車橋空間耦合動力分析結論如下：

(1)三個方案的中跨跨中豎向振動加速度均較小，最大值基本一致，說明三個方案橋梁的豎向剛度基本一致，幾乎沒有變化；方案三的橋梁跨中橫向振動加速度明顯比方案一和方案二的相應值要大，但均在規范限值以內。

(2)在德國ICE3和國產300 km/h動車組以速度250～420 km/h范圍作用下，方案一、方案二和方案三的動車與拖車的脫軌系數、輪軌橫向力、輪重減載率等安全性指標均不超過限值，滿足高速列車行車安全性要求。方案一、方案二和方案三的豎向舒適性均為“優”或“良”；方案一、方案二的橫向舒適性均為“優”或“良”，但方案三的橫向舒適性僅為“合格”。

可見方案一過于保守，方案三橫向剛度略差，因此，為保證高速列車具有足夠的安全性和優秀的舒適性，設計采用方案二。

4 結束語

(1)岔河大橋主橋(88+168+88) m預應力混凝土連續剛構，最大墩高103 m，集高墩、大跨于一體，為當今世界350 km/h時速高速鐵路最大跨度的混凝土連續剛構高墩鐵路橋。主墩采用橫橋向直線二次放坡的矩形空心高墩，把墩身質量及剛度集中于結構下部，能較好地滿足全橋靜動力特性，從而改善行車性能。

(2)通過對本橋靜動力特性及車橋耦合動力分析研究，各項設計參數符合規定，滿足旅客乘坐舒適度、高速列車運營安全性及無縫軌道平順性等要求。岔河大橋通過靜動載試驗，并于2016年12月通車運營，結果表明，大橋行車平穩舒適、結構安全可靠、運營狀態良好。

(3)預應力混凝土連續剛構橋是高速鐵路跨越高山峽谷的常用橋型，滬昆高鐵(長沙-昆明段)岔河大橋主橋(88+168+88) m預應力混凝土連續剛構橋成功地設計、施工并建成運營，為高速鐵路高墩大跨預應力混凝土連續剛構橋的設計提供了參考，為其跨度的進一步突破奠定了堅實的基礎。

[1] 中鐵二院工程集團有限責任公司.新建高速鐵路滬昆客運專線(長沙-昆明段)岔河大橋施工圖[Z].成都：中鐵二院工程集團有限責任公司，2012.

[2] TB 10002.1-2005鐵路橋涵設計基本規范[S].

[3] TB 10621-2014高速鐵路設計規范[S].

[4] TB 10002.3-2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范[S].

[5] 馬庭林，陳克堅，徐勇.南昆鐵路清水河大橋預應力連續剛構主橋施工設計[J].橋梁建設，1997(3)：69-74.

[6] 陳列，顏華.新建200 km/h客貨共線鐵路大跨度連續剛構橋設計研究[J].橋梁建設，2006(6)：37-39.

[7] 何庭國，鄢勇.遂渝鐵路新北碚嘉陵江大橋設計[J].橋梁建設，2006(S2)：26-29.

李俊龍(1985 ～)，男，碩士研究生，工程師，從事大跨橋梁設計研究。

U442．5+5

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[定稿日期]2017-01-13